变电站建筑电气标准化设计方法研究

丁 钰，吴 杨，王 卓，邢振华

（1.中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司，北京 100120；2.内蒙古电力勘测设计院有限责任公司，呼和浩特 010010）

0 引言

建筑电气是以建筑为平台，在建筑物中，利用现代先进的科学理论及电气技术，创建一个人性化生活环境的电气系统，建筑电气是一门综合性的工程学科[1]。建筑电气设计从狭义上仅指民用建筑中的电气设计；从广义上讲，包括工业建筑、构筑物和道路、广场等户外工程。传统建筑电气设计仅含供电和照明设计内容，随着社会发展，建筑电气的深度和广度也得到相应拓展，并且渗入到变电站设计领域，变电站建筑电气设计技术随着国标、行标及施工验收标准等的更新完善[2-9]，也在不断改进和优化。

随着《国家电网有限公司十八项电网重大反事故措施（修订版）》《国家电网公司输变电工程标准工艺》等文件的推行，对变电站设计内容要求进一步细化和深化，之前建筑电气仅包含的建筑物照明和埋管留洞等设计内容已经不能满足变电站施工、运行、检修及维护的需要，建筑电气设计的不精准、缺失和失误，会给变电站安全性、功能性、便利性等方面带来隐患。有必要对现行变电站建筑电气涉及的范围进行扩展和改进，由此造成设计人员要面临专业配合、设计与厂家界限划分等一系列新课题，因此对建筑电气设计内容的合理调整和规范化实施势在必行。标准化、精细化设计能够有效提高变电站设计的效率和质量，执行建筑电气标准化设计成为大势所趋。

基于此，本文提出变电站建筑电气设计标准化概念及方法，使得变电站建筑电气设计高效、便捷，并且出错率低。

1 变电站建筑电气标准化设计

在变电站设计中，建筑电气部分涉及的专业较多，内容繁琐庞杂，设计容易出现纰漏，成品不易校审，很难实现施工配合顺畅、业主满意的目标。对于变电站建筑电气，每座建筑物内的用电负荷类型基本接近，设计原则比较容易统一，具备引入标准化设计的条件。主要设计人在编制建筑电气卷册任务书阶段，以表格形式列出设计关键点的具体要求和各相关参数的对应关系，由卷册负责人据此开展设计，实现卷册大部分图纸标准化设计，以减轻设计人员的工作强度，降低出错率，提高工作效率。变电站建筑电气设计可以从下列几方面进行规范要求。

1.1 统一图纸目录

标准化设计的基础是统一图纸目录，统一后的标准卷册目录可提纲挈领地反映卷册内容，表1中的图纸名称及其对应的图号编制，便于大规模设计、查找、校核、修改各卷册图纸。

表1 图纸目录

1.2 要求具体化，计算简易化

1.2.1 配电屏接线图

配电屏接线图应包含屏外形尺寸、断路器规格型号、回路名称、回路负荷容量、回路编号、电缆规格型号、穿管规格型号等信息和参数，明确规定回路、箱柜等编号原则，并以表格形式明确负荷容量→负荷电流→断路器额定电流→线缆→管径对应关系。接线图内的电流值计算采用表2中的简易估算式。

表2 负荷电流简易估算[9]

1.2.2 导线护管选择

导线护管的选择采用归类法，各用电回路简化为正常照明、应急照明、消防应急照明和动力回路，各回路护管均暗敷。动力回路采用热镀锌钢管，其他回路采用阻燃塑料导管。设计中若采用GB 50217—2018《电力工程电缆设计标准》中附录H电缆穿管敷设时，允许最大管长的计算方法繁琐，原始参数难获取，在工程标准化设计中，可选取经验值，具体为：导管没有弯曲时，长度不超过30 m；导体有一个弯曲（90°~120°）时，长度不超过20 m；导体有两个弯曲（90°~120°）时，长度不超过15m；导体有3个弯曲（90°~120°）时，长度不超过8 m。如果长度超过上述要求，应加设接线盒、箱或加大管径。导线护管管径的选择参照表3、表4。

表3 不同根数BV型绝缘线穿阻燃塑料导管外径选择mm

表4 不同根数BV型绝缘线穿热镀锌钢管内径选择mm

1.2.3 断路器选择

1.2.3.1 选择方式

低压断路器是建筑电气的主要组成部分，断路器的选择计算过程是建筑电气设计的关键环节。变电站站用电低压配电系统常采用TN-C-S系统，断路器设置一般不超过三级，断路器的上下两级之间的配合，须具备选择性、快速性和灵敏性[10]。站用变压器进线采用框架断路器，设置短路瞬时保护、短路短延时保护和过载保护，建筑电气终端配电装置使用最广泛的保护电器是微型断路器，常用于电流125 A以下的回路，仅设置短路瞬时保护。变电站建筑物内主要负荷一般为建筑物照明、空调、电暖气、楼宇监控及水工用电设备等，负荷计算电流和不超过125 A，电源统一由配电箱/柜引出，出线断路器主要用于保护回路内用电设施的过电流及类似用途，无需维修，因此选择微型断路器即可满足要求。设计人员可根据短路电流和负荷电流计算结果对微型断路器进行选择。

微型断路器瞬时脱扣电流范围为：B型3In~5In（含5In，In为额定电流）；C型5In~10I（n含10In）；D型10In~20I（n含20In）；微型断路器过电流脱扣器额定电流为：1 A、2 A、4 A、6 A、10 A、16 A、20 A、25 A、32 A、40 A、50 A、63 A、80 A、100 A、125 A。

实际工程中，可以通过标准化设计，将负荷、断路器、缆线及穿管之间的关系统计成表格形式，使得整体工程建筑电气设计统一，方便设计人员查询和校核，负荷容量（三相负荷考虑为电动机类负荷）与各参数对应关系见表5。

表5 负荷容量与各参数对应表

1.2.3.2 灵敏度校验

随着变电站消防等级要求的提高，需保证线路末梢发生接地故障时，断路器能够准确跳闸。断路器的灵敏度需满足规程要求，根据DL/T 5155—2016《220 kV~1000 kV变电站站用电设计技术规程》[7]，断路器作为保护电器时，灵敏度为1.5。接地故障时，最小接地故障电流Ik简化计算公式为：

式中：U0—相对地标称电压，V；

S—相导体截面积，mm2；

n—每相并联导体根数；

k1—电缆电抗校正系数，当S≤95 mm2时，取1.0；当S为120 mm2和150 mm2时，取0.96；当S≥185 mm2时，取0.92；

k2—多根相导体并联使用的校正系数，K2=4（n-1）/n（n≥2）；

ρ—20℃时的导体电阻率，Ω·mm2/m；

L—电缆长度，m；

m—材料相同的每相导体总截面积与PE导体截面积之比。

当电缆较长时，接地故障灵敏度很难满足要求，可采取加大相导体和保护接地导体截面、断路器采用短延时过电流脱扣器以及接地保护脱扣器等措施。

电缆引发的火灾多由电缆电弧性短路造成，电弧性短路阻抗和电压降都比金属性短路大很多，保护装置不能瞬时动作时，几安的电弧局部温度可高达2000~4000℃，极易引燃可燃物，造成火灾。而配电线路电弧性短路大多为接地故障，雷电过电压、系统操作过电压等均可能击穿劣化电缆绝缘外皮，发生接地故障。300 mA以上的电弧能量即能引燃起火，而剩余电流装置RCD（Residual Current De⁃vice）对接地故障的灵敏度可完全满足要求，即断路器加装RCD可以防止金属接地和电弧接地故障引发的火灾。采用该接地保护方式，变电站中性线必须一点接地，多点接地产生的杂散电流可能引起断路器无法正确动作。对于多级RCD，上级RCD额定动作电流不小于下级RCD额定动作电流的3倍；上级RCD不动作时间大于下级RCD动作时间。多级RCD配置图如图1所示。

图1 多级RCD配置图

1.2.4 接地平面布置图

对于接地平面布置图的标准化设计，关键在于明确敷设室内接地干线的房间、接地热镀锌扁钢规格、需要安装接地端子的房间、做局部等电位的房间、每座建筑物接地引出线的数量及规格，列出接地引出线出建筑物的穿管内径与接地材料宽度的匹配表。

1.2.5 照明平面布置图

照明平面布置图重点是规定配置灯具原则。经计算和测试，采用相同照明效果的LED灯具可比传统光源节能50%以上（见表6），建筑电气标准化设计要求户内灯具均采用LED灯。图纸需列出具体功能间照明功率密度、灯具规格型号、灯具数量对应表，明确特殊功能房间灯具要求，并规定配置消防应急照明和疏散指示系统原则。

表6 LED灯具与传统灯具主要参数对比

1.2.6 电缆敷设图

合理利用暖通、水工专业图纸，避免各专业采用不同版本图纸，造成现场用电设备电源点与电缆敷设设计不一致的问题。规定电暖气、空调电源采用插座还是接线盒；每个用电设备应标注设备名称或设备编号、电缆及其编号、埋管内径、埋管至终点位置，回路名称、编号等与接线图须保持一致。标准化设计规定风机动力箱、照明箱、动力电源或检修箱及风机户外控制箱应统一尺寸。

1.3 建筑电气标准化在实际工程中的应用效果

建筑电气标准化设计依托巨宝庄500 kV变电站工程得以实施，与传统设计方式相比，实现了图纸正确率100%，出图效率较传统方式提高了65%以上，建筑电气各卷册图纸质量受到现场施工单位和业主方肯定，应用效果显著。

2 换流站建筑电气的设计

直流换流站是具有整流站、逆变站功能的直流系统设施，是直流输电的基础。高压直流换流站是电力运营的重要装置，对高压直流换流站的合理设计和构建对电网安全运行具有重要意义。换流站建筑物较常规站多，主要建筑物有阀厅、主（辅）控楼、综合楼、继电器小室、检修备品库、专用品库、汽车库、消防间、综合水泵房等，各种建筑功能性差异较大，因此换流站的建筑电气设计有其特殊性和复杂性。

2.1 主（辅）控楼

2.1.1 电缆敷设特点

主（辅）控楼动力电缆量很大，在电缆敷设时，主要通道采用电缆穿管敷设不能满足要求，实际工程通常采用电缆桥架、支架或吊架方式，分类、分层敷设。

2.1.2 防火设计

随着消防要求的加强，换流站防火问题得到重点关注，防火设计和验收均采取了严格措施。为防止动力电缆着火后波及控制电缆，在电缆沟范围内同一侧多层支架敷设时，应按照动力电缆、强电至弱电的控制和信号电缆、通信电缆由上而下的顺序排列。通信光缆全程利用防火槽盒敷设。

2.2 阀厅

阀厅一般高度在20 m以上，照明灯具形式的选择、布置和照明回路缆线路径的设置是阀厅建筑电气的重要内容。灯具选用带熔断器保护的LED泛光灯，灯具支架焊接在屋顶下弦，根据阀塔布置情况，灯具间距7 m左右。缆线可采用竖井、穿管、桥架相结合方式敷设。

3 户内变电站建筑电气设计

3.1 户内变电站设计特点

（1）户内变电站布置紧凑，电缆通道主要由埋管、竖井和吊（支或桥）架等组成，缆线长度较敞开站短，开关灵敏度校验易满足要求。

（2）户内变电站电缆护管主要敷设在建筑层，埋管管径受到限制，户内变电站的用电负荷一般按区域汇总后，由本地动力箱提供电源，避免出现用电总负荷很大的情况，便于动力电缆和断路器统一规格。

3.2 注意事项

（1）根据国家电网公司通用设计，户内变电站站用电柜大多布置在公用设备间，站用电屏进线采用大截面电缆，与控制电缆、光缆共同敷设在变电楼公用设备间活动地板下，对电缆通道规划和防火要求高。

（2）每个功能房间均需考虑环房地网，设备单独接地线暗敷，土建施工时电气专业人员应加强现场配合。

4 参考标准的不确定因素

（1）GB 51309—2018《消防应急照明和疏散指示系统技术标准》第3.2.1.4.1条“未设置消防控制室的住宅建筑，疏散走道、楼梯间等场所可选择自带电源B型灯具”。对于不设置消防控制室的变电站如何执行没给出具体指导意见。

（2）GB 50054—2011《低压配电设计规范》第6.2.4条“当短路保护电器为断路器时，被保护线路末端的短路电流不应小于断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍”。而DL/T 5155—2016《220 kV~1000 kV变电站站用电设计技术规程》附录E E.0.1第3条“当短路保护电器为断路器时，被保护线路末端的短路电流不应小于断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.5倍”，二者矛盾。

（3）备用照明、疏散照明在GB 51309—2018《消防应急照明和疏散指示系统技术标准》和DL/T 5390—2014《发电厂和变电站照明设计技术规定》中解释不一致。

5 结论

（1）变电站施工图设计阶段采取建筑电气标准化设计，有助于设计人员高效、高质量完成设计工作。

（2）变电站建筑电气的特点满足标准化设计的要求，实际工程已经取得阶段性成果，通过基础数据的搜集、计算和整理，积累滚动修改版表格，供后续变电站工程利用和修改完善。

（3）变电站建筑电气的设计，结合设计经验，可将手册、规程内的公式和规定，根据具体工程情况进行简化和归纳合并，便利化设计是高效、正确的保障。

（4）变电站建筑电气设计执行的国家标准涉及行业领域范围宽泛，内容繁多，变电站设计时在采用国标和行标时存在不确定因素，有需要商榷的内容。